Архитектура в условиях вечной мерзлоты: как строят на севере

Многолетняя мерзлота занимает около 65% территории России, то есть намного больше непосредственной арктических территорий. Она распространена в Якутии, Республике Коми, Ямало-Ненецком автономном округе, Красноярском крае, Магаданской области, на Чукотке и в других северных регионах.

Несмотря на название, вечная мерзлота вовсе не вечная. Это грунт, который остается замерзшим не менее двух лет подряд. В некоторых районах его возраст достигает десятков тысяч лет, а глубина промерзания — нескольких сотен метров.
Для строителей такая земля одновременно и подарок, и серьезное испытание. В замерзшем состоянии она обладает высокой несущей способностью. Но если температура повышается хотя бы на несколько градусов, свойства грунта резко меняются. Именно поэтому северные инженеры придерживаются главного правила: мерзлоту нельзя размораживать.

Если посмотреть на фотографии северных городов, первое, что бросается в глаза, многие дома стоят сваях. Железобетонные или металлические сваи заглубляют в мерзлый грунт на несколько метров, а между землей и первым этажом оставляют проветриваемое подполье. Холодный воздух, гуляющий между свями, не позволяет теплу от здания прогревать землю. Благодаря этому грунт сохраняет отрицательную температуру и остается прочным.
Жители Якутска, Воркуты, Норильска или Салехарда давно привыкли к таким домам. Для местных это обычное инженерное решение, хотя туристов оно неизменно удивляет, несмотря на то, что подобные дома есть даже в Москве. Под домами нельзя складировать вещи, засыпать пространство снегом или закрывать его декоративными панелями, иначе нарушится естественная вентиляция и грунт начнет нагреваться.

Свайные фундаменты в конце 1930-х годов начали широко применять в Воркуте. Для своего времени это было новаторское решение.

В послевоенные годы в городе начала работать Воркутинская мерзлотная станция — один из крупнейших научных центров СССР, занимавшихся изучением многолетнемерзлых грунтов. Здесь исследовали, как меняется температура основания под зданиями, как ведут себя сваи в разных типах грунтов, разрабатывали методы строительства жилых кварталов, промышленных объектов, железных дорог и инженерных коммуникаций. Полученные результаты использовались не только в Коми, но и при освоении других районов Арктики.

Сегодня увидеть эти инженерные решения можно прямо в городской застройке.

Протяженные здания с закругленными торцами стали «визитной карточкой» Воркуты. Например, дома № 10-16 на Шахтерской набережной сохранили характерную для Воркуты северную архитектуру.

Ещё один узнаваемый объект — так называемый «Пентагон» (его также называют «Китайской стеной») — огромный жилой дом, построенный в 1970-е годы на берегу реки Воркуты. Он стал одним из символов советского полярного модернизма: здание проектировали специально для условий Крайнего Севера, с учетом климата и особенностей городской среды.

История Норильска показала, насколько важно учитывать особенности вечной мерзлоты уже на этапе проектирования.

Первые жилые дома и производственные здания начали строить здесь в конце 1930-х годов, когда опыта работы в подобных условиях практически не существовало. Из-за прогрева грунта и ошибок в проектировании часть зданий начала деформироваться: появлялись трещины, просадки фундаментов и перекосы конструкций.

Ситуация изменилась в конце 1950-х годов благодаря работам инженера Михаила Кима и его коллег, которые усовершенствовали технологию устройства свайных фундаментов, предложив способы их установки, позволяющие минимально нарушать естественное состояние мерзлого грунта. На этих принципах впоследствии застраивалась большая часть современного Норильска.
Сегодня в городе продолжается постоянный геотехнический мониторинг: специалисты контролируют состояние фундаментов и температуру грунтов, поскольку изменение климата и эксплуатационные нагрузки требуют непрерывного наблюдения за состоянием вечной мерзлоты.

Северная архитектура должна была бороться не только с мерзлотой, но и с сильными ветрами.

Во время полярных метелей скорость ветра значительно усиливает ощущение холода, а снег быстро заносит улицы. Поэтому при проектировании жилых районов архитекторы учитывали направление преобладающих ветров.

В Норильске строили длинные жилые корпуса, расположенные поперек основных воздушных потоков. Такие здания становились своеобразными ветрозащитными экранами: снижали скорость ветра внутри кварталов, задерживали переносимый снег и помогали создавать более комфортный микроклимат во дворах.

Похожие градостроительные решения применяли и в Воркуте. Помимо расположения домов, тщательно продумывали планировку кварталов, чтобы жители могли переходить между домами, школами, магазинами и остановками по максимально защищенным от ветра маршрутам.

Такую планировку Арктических городов туристы могут увидеть в том же Норильске и сейчас.

Крупнейшим городом мира, полностью расположенным в зоне многолетней мерзлоты, считается Якутск, где проживают более 380 тысяч человек. Практически все современные здания строятся с учетом особенностей мерзлого основания.

Основным конструктивным решением остаются свайные фундаменты, однако современные технологии стали гораздо сложнее. Перед строительством специалисты проводят инженерно-геологические изыскания, измеряют температуру грунтов, создают компьютерные модели их поведения и рассчитывают, как тепло будущего здания будет влиять на состояние основания в течение десятилетий эксплуатации.

В городе активно развивается многоэтажное строительство. Благодаря современным методам проектирования и новым технологиям фундаментов здесь успешно возводят жилые комплексы высотой более 15 этажей. Во второй половине XX века это еще считалось крайне сложной инженерной задачей.

Например, учитывающие сложные условия вечной мерзлоты технологии применяются при строительстве новой тринадцатиэтажной гостиницы Cosmos в Якутске. Местные СМИ со ссылкой на эксперта Главгосэкспертизы Татьяну Малашину писали, что надежность здания обеспечивают монолитный железобетонный каркас и буроопускные сваи фундамента. Проект также предусматривает решения для усиленной теплозащиты здания и защиты грунтов от оттаивания — обязательные требования при строительстве в условиях Якутска. Окончание работ запланировано на 2027 год.

Сегодня строительство на вечной мерзлоте все чаще основано не только на сохранении естественного состояния грунта, но и на его искусственной стабилизации.

На Ямале и в других северных регионах широко применяют сезонно действующие охлаждающие устройства — термостабилизаторы грунта. Это герметичные трубы, заполненные хладагентом, которые работают без подключения к электричеству.

Такие технологии используют при строительстве жилых домов, магистральных газо- и нефтепроводов, резервуаров, производственных объектов, автомобильных дорог и сооружений топливно-энергетического комплекса. В условиях потепления климата системы термостабилизации становятся одним из ключевых инструментов обеспечения долговечности инфраструктуры в российской Арктике.

Сегодня инженеры могут следить за состоянием мерзлоты практически в режиме реального времени.

Под фундаментами устанавливают температурные датчики, которые круглосуточно измеряют состояние грунта. Если температура начинает повышаться, специалисты получают сигнал и могут заранее принять меры, не дожидаясь появления трещин в здании.

Перед началом строительства используют цифровые модели местности, лазерное сканирование, спутниковый мониторинг и компьютерное моделирование поведения грунтов.
Фактически современные дома на Севере проектируют не только как здания, но и как сложные инженерные системы, постоянно взаимодействующие с окружающей средой.
Однако даже самые современные технологии сталкиваются с проблемой изменения климата.

Температура воздуха в Арктике растет в несколько раз быстрее среднемировых показателей. Из-за этого многолетнемерзлые грунты постепенно начинают оттаивать. Поэтому сегодня специалисты не только проектируют новые дома, но и постоянно обследуют уже существующие, усиливают их основания и разрабатывают новые способы защиты мерзлоты.